JP3768871B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ゲート長がサブミクロン(0.1μm)世代のCMOS(Complementaly Metal−Oxide−Semiconductor)デバイスを製造する場合、ゲート電極としてそれよりも前の世代に用いられているシリコンをそのまま利用することができない可能性が高い。
【0003】
その第1の理由は、シリコンは比抵抗が数十Ω/□と高いため、ゲート電極として用いるとRC遅延がデバイス動作において無視できなくなるためである。ゲート長がサブミクロン世代のデバイスでは、ゲート電極の比抵抗が2Ω/□以下とならなければRC遅延を無視できないと考えられている。
【0004】
さらに第2の理由として、シリコンゲート電極が空乏化してしまう問題がある。これはシリコン中に添加されるドーパント不純物の固溶限界がたかだか1×1020cm−3程度であり、シリコンゲート電極とゲート絶縁膜の界面においてシリコンゲート電極側に有限の長さの空乏層が広がってしまう現象である。
【0005】
この空乏層は実質的にゲート絶縁膜に直列に接続された容量となるため、ゲート絶縁膜にこの容量が上乗せされてしまうことになる。この上乗せされた容量は、酸化シリコン換算膜厚で0.3nmとされている。将来のデバイスのゲート絶縁膜は、酸化シリコン換算膜厚1.5nm以下が要求されるものであり、この上乗せされた容量の酸化シリコン換算膜厚0.3nmは無視できない厚さである。
【0006】
一方シリコンゲート電極に高濃度の不純物(リン或いはボロン等)を添加することによって、抵抗を下げる試みがされている。しかしながらサブミクロン世代において、ゲート絶縁膜の厚さは酸化シリコン換算膜厚1.5nm以下が要求されており、この高濃度の不純物が、薄膜化されたゲート絶縁膜を通過し、シリコン基板に到達してしまう問題が顕在化する。これによりチャネル領域の不純物濃度が設計とずれてしまいしきい値電圧が変動してしまう問題が生じる。
【0007】
そこで、モリブデン、タングステン、タンタルなどの高融点金属或いはこれらの窒化物をゲート電極に用いることが考えられている。これは、いわゆるメタルゲート技術である。
【0008】
メタルゲートは、原理的にシリコンよりも比抵抗が低いことからRC遅延は無視できる。また、メタルゲートは、原理的に空乏層が発生しないので上乗せされる容量は発生しない。さらに、メタルゲートは、低抵抗化のための不純物を添加する必要が無いので不純物がゲート絶縁膜を付き抜ける問題はないなどシリコンゲートの問題を解決できることで期待されている。
【0009】
しかしながら、メタルゲートは、CMOSデバイスを作成する場合に、以下に挙げる特有の問題がある。
【0010】
メタルゲートは、CMOSデバイスを形成する場合、p+シリコンの仕事関数を持つ金属材料とn+シリコンの仕事関数を持つ金属材料を、それぞれpチャネルMOSトランジスタ及びnチャネルMOSトランジスタのゲート電極として用いる、いわゆるデュアルφ(ファイ)メタルゲート技術が提案されている。
【0011】
こうすることで、pチャネルMOSトランジスタ及びnチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧は完全に制御することができる。ただし、デュアルφメタルゲートは、p+シリコンの仕事関数を持つ金属材料とn+シリコンの仕事関数を持つ金属材料をそれぞれ見つけ出し、さらにそれらの材料が耐熱性を有さなければならないことなどの制約があり、最適な材料の組み合わせを見つけることはかなり困難と予測される。
【0012】
また、よしんば耐熱性を有し仕事関数も適正な値を持つ2種の金属材料が発見されたとしても、LSIの製造工程としては、pチャネルMOSトランジスタとnチャネルMOSトランジスタのゲート電極を別々の工程で形成する必要が生じ、製造工程が複雑化する問題がある。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来のシリコンゲート電極は比抵抗が高いため、RC遅延が無視できなくなり、シリコンゲート電極が空乏化することによって容量が低下してしまう、さらにはシリコンゲート電極から不純物がゲート絶縁膜を付き抜けてしきい値電圧が変動してしまう問題がある。
【0014】
また、ゲート電極として、2種の金属ゲート(デュアルφメタルゲート技術)をnチャネルMOS及びpチャネルMOSに用いる方法では、pチャネルMOSトランジスタ及びnチャネルMOSトランジスタのゲート電極に用いる金属材料の組み合わせを発見することが極めて困難であると予測されるばかりでなく、製造工程が複雑化する問題がある。
【0015】
本発明は、上記問題を考慮してなされたもので、ゲート電極の低抵抗化、空乏化による絶縁膜容量低下、不純物突き抜け問題のないゲート電極を有する半導体装置を提供することを目的とする。
【0016】
また、本発明は、シリコンプロセスを用いた簡単な方法により上記半導体装置を製造する方法を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、シリコン基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にチタン、ジルコニウム、ハフニウムから選ばれる少なくとも一つの金属からなる金属薄膜を形成する工程と、
前記金属薄膜上に少なくともシリコンまたはシリコン・ゲルマニウム薄膜を形成する工程と、
前記薄膜中の少なくとも一部にボロンを添加する工程と、
前記金属薄膜の全てと、前記薄膜の一部を反応させnチャネルMOSトランジスタのゲート電極となる金属珪化物層を形成する工程と、
前記金属珪化物層の一部をボロンと反応させpチャネルMOSトランジスタのゲート電極となる金属ボロン化合物層を形成する工程とを具備し、前記金属ボロン化合物の自由エネルギーの絶対値が前記金属珪化物の自由エネルギーの絶対値よりも大きいことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【0021】
また、前記金属ボロン化合物層は、チタン、ジルコニウム、ハフニウムから選ばれる少なくとも一つの金属を含有し、前記ゲート絶縁膜は、ジルコニウム、ハフニウム、チタン、タンタル、アルミニウム、イットリウム、ランタン、セリウム或いはその他の希土類元素のいずれかから選ばれる少なくとも一つの金属の酸化膜であることが好ましい。
【0022】
また、本発明は、前記金属ボロン化合物層の原子組成比が、金属:ボロン=1:1.5〜2であることが好ましい。
【0024】
また、本発明は、シリコン基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にチタン、ジルコニウム、ハフニウムから選ばれる少なくとも一つの金属からなる金属薄膜を形成する工程と、
前記金属薄膜上に少なくともシリコンまたはシリコン・ゲルマニウム薄膜を形成する工程と、
前記薄膜の第1の領域にボロンを添加する工程と、
前記薄膜の第2の領域にn型ドーパントを添加する工程と、
前記金属薄膜の全てと、前記薄膜の一部を反応させ前記第 1 の領域および前記第 2 の領域においてnチャネルMOSトランジスタのゲート電極となる金属珪化物層を形成する工程と、
前記第1の領域における前記金属珪化物層の一部をボロンと反応させpチャネルMOSトランジスタのゲート電極となる金属ボロン化合物層を形成する工程とを具備し、前記金属ボロン化合物の自由エネルギーの絶対値が前記金属珪化物の自由エネルギーの絶対値よりも大きいことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【0025】
また、本発明は、シリコン基板上にチタン、ジルコニウム、ハフニウムから選ばれる少なくとも一つの金属が添加されたゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に少なくともシリコンまたはシリコン・ゲルマニウム薄膜を形成する工程と、
前記薄膜の第1の領域にボロンを添加する工程と、
前記薄膜の第2の領域にn型ドーパントを添加する工程と、
前記ゲート絶縁膜の表面に添加された金属と、前記薄膜の一部を反応させ前記第 1 の領域および前記第 2 の領域においてnチャネルMOSトランジスタのゲート電極となる金属珪化物層を形成する工程と、
前記第1の領域における前記金属珪化物層の一部をボロンと反応させpチャネルMOSトランジスタのゲート電極となる金属ボロン化合物層を形成する工程とを具備し、前記金属ボロン化合物の自由エネルギーの絶対値が前記金属珪化物の自由エネルギーの絶対値よりも大きいことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【0026】
また、本発明は、シリコン基板上にチタン、ジルコニウム、ハフニウムから選ばれる少なくとも一つの金属の酸化物である金属酸化物からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜の表面を還元する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に少なくともシリコンまたはシリコン・ゲルマニウ薄膜を形成する工程と、
前記薄膜の第1の領域にボロンを添加する工程と、
前記薄膜の第2の領域にn型ドーパントを添加する工程と、
前記ゲート絶縁膜の表面に存在する還元された金属と、前記薄膜の一部を反応させ前記第 1 の領域および前記第 2 の領域においてnチャネルMOSトランジスタのゲート電極となる金属珪化物層を形成する工程と、
前記第1の領域における前記金属珪化物層の一部をボロンと反応させpチャネルMOSトランジスタのゲート電極となる金属ボロン化合物層を形成する工程とを具備し、前記金属ボロン化合物の自由エネルギーの絶対値が前記金属珪化物の自由エネルギーの絶対値よりも大きいことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【0028】
また、金属ボロン化合物層或いは金属珪下物層の金属としては、Ti(チタン)が好ましいが、Tiと同属元素であるZr(ジルコニウム)やHf(ハフニウム)等も化学的性質が似ているので用いることができる可能性もある。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。ただし本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、種々工夫して実施することができる。
【0030】
(実施形態1)
図1は、本発明における半導体装置の断面図である。
【0031】
図1に示すように、この半導体装置は、n型シリコン層3と、この上に形成されたゲート絶縁膜7と、この上に形成された金属ボロン化合物層8と、この上に形成されたp+多結晶シリコンからなるゲート電極9とを具備するものである。
【0032】
図1には示していないが、n型シリコン層3内のゲート絶縁膜7を挟む位置には、n+シリコン領域からなるソース領域及びドレイン領域を具備している。これらからpチャネルMOSトランジスタを構成している。
【0033】
この半導体装置では、ゲート絶縁膜7上に金属ボロン化合物層8を形成している点に特徴がある。金属ボロン化合物層8は、導電性を示し、比抵抗が十分低く金属的な振るまいをするため、p+多結晶シリコンからなるゲート電極9におけるゲート寄生抵抗を低抵抗化しかつ空乏層が広がる問題もない。
【0034】
一例として、金属ボロン化合物の金属材料としてチタンを用いた場合を述べる。チタンボロン化合物の比抵抗は10μΩcm程度であり、メタルゲート材料と比較しても遜色無い値を示す。チタンの他に金属材料としてジルコニウム、ハフニウム等を挙げることができる。いずれの金属材料もその金属ボロン化合物の抵抗値は十分低くかつ空乏層が広がる問題もない。
【0035】
また、さらに本発明は、図1に示すpチャネルMOSトランジスタと図2に示すnチャネルMOSトランジスタが同一基板上に配置された半導体装置とすることが好ましい。
【0036】
図2に示すnチャネルMOSトランジスタは、p型シリコン層5と、この上に形成されたゲート絶縁膜7と、この上に形成された金属珪化物層11と、この上に形成されたn+多結晶シリコンからなるゲート電極12とを具備するものである。
【0037】
図2には示していないが、p型シリコン層5内のゲート絶縁膜7を挟む位置には、p+シリコン領域からなるソース領域及びドレイン領域を具備している。これらからnチャネルMOSトランジスタを構成している。
【0038】
本発明では、pチャネルMOSトランジスタには、金属ボロン化合物層8をゲート絶縁膜7とp+多結晶シリコンゲート電極9との間に形成している。金属ボロン化合物層8は、p+多結晶シリコンの仕事関数に極めて近い仕事関数を持つことからしきい値を制御する上で大きな問題は生じない。nチャネルMOSトランジスタには、金属珪化層11をゲート絶縁膜2とn+多結晶シリコンゲート電極7との間に形成している。金属珪化物層11は、n+多結晶シリコンの仕事関数に極めて近い仕事関数を持つことから、同様にしきい値を制御する上で大きな問題は生じない。
【0039】
このように本発明では、pチャネルMOSトランジスタには、金属ボロン化合物層8を、nチャネルMOSトランジスタには、金属珪化物層11を、それぞれゲート絶縁膜7及びゲート電極9、11間に挿入することで、それぞれのしきい値を良好に制御することが可能となる。
【0040】
図3に、金属ボロン化合物層8及び金属珪化物層11の金属材料の一例としてチタンを用いた場合について、チタンボロン化合物(TiB2)、チタン珪化物(TiSi2)及びシリコン(n+Si、p+Si)のバンド図の関係を述べる。
【0041】
pチャネルMOSトランジスタに用いられるチタンボロン化合物の仕事関数は4.8乃至5.2eV、nチャネルMOSトランジスタに用いられるチタン珪化物の仕事関数は4.4eVであり、それぞれp+多結晶シリコンの仕事関数5.2eV、n+多結晶シリコンの仕事関数4.1eVに極めて近い値を示していることが分かる。したがって、pチャネルMOSトランジスタ及びnチャネルMOSトランジスタのそれぞれのしきい値を良好に制御することができる。
【0042】
また、チタン珪化物の比抵抗は20μΩcm以下であり、メタルゲート材料と比較しても遜色ない値である。
【0043】
次に、図4に、図1に示すpチャネルMOSトランジスタ及び図2に示すnチャネルMOSトランジスタを同一基板上に形成したCMOSデバイスの断面図を示す。
【0044】
図4に示すように、pチャネルMOSトランジスタ1とnチャネルMOSトランジスタ2がシリコン基板4上に、シャロートレンチ構造の素子分離6によって互いに分離された状態で作りこまれている。
【0045】
pチャネルMOSトランジスタ1が形成されている領域のシリコン基板4上にはNシリコンウェル3が形成されている。またnチャネルMOSトランジスタ2のシリコン基板4上にはPシリコンウェル5が形成されている。
【0046】
pチャネルMOSトランジスタ1は、Nシリコンウェル3上に形成されたゲート絶縁膜7と、この上に形成された金属ボロン化合物層8と、この上に形成されたp+多結晶シリコン電極9と、この上に形成されたサリサイド10とからなる積層構造(MIS構造)を具備している。この積層構造の側壁には、ゲート側壁17が形成されている。
【0047】
Nシリコンウェル3中のゲート絶縁膜7を挟む位置には高濃度に不純物を添加した深いp+不純物拡散層13と浅いp+不純物拡散層15が形成されており、これらによってソース及びドレインの役割を果たす。深いp+不純物拡散層13上には、サリサイド10が形成されている。
【0048】
一方、nチャネルMOSトランジスタ2が形成されている領域のシリコン基板4上にはPシリコンウェル5が形成されている。
【0049】
nチャネルMOSトランジスタ2は、Pシリコンウェル5上に形成されたゲート絶縁膜7と、この上に形成された金属珪化物層11と、この上に形成されたn+多結晶シリコン電極12と、この上に形成されたサリサイド10とからなる積層構造(MIS構造)を具備している。この積層構造の側壁には、ゲート側壁17が形成されている。
【0050】
Pシリコンウェル5中のゲート絶縁膜7を挟む位置には高濃度に不純物を添加した深いn+不純物拡散層14と浅いn+不純物拡散層16が形成されており、これらによってソース及びドレインの役割を果たす。深いn+不純物拡散層14上には、サリサイド10が形成されている。
【0051】
次に、図5乃至図11を参照して、図5に示すCMOSデバイスの製造方法を説明する。
【0052】
先ず、図5に示すように、シリコン基板4上に、シャロートレンチ構造の素子分離6を形成する。次に、Nシリコンウェル3及びPシリコンウェル5を形成した後、ゲート絶縁膜7を形成する。
【0053】
ゲート絶縁膜7としては酸化シリコン(SiO2)膜、シリコン酸窒化(SiON)膜、その他金属酸化膜、金属シリケート膜などが使用できる。また、金属酸化膜の場合、ジルコニウム、ハフニウム、チタン、タンタル、アルミニウム、イットリウム、ランタン、セリウム或いはその他の希土類元素のいずれかから選ばれる少なくとも一つの金属の酸化膜を用いることができる。
【0054】
次に、図6に示すように、ゲート絶縁膜7上に金属薄膜18を堆積する。ここでは金属薄膜としてチタン膜を化学気相堆積法によって厚さ1nm堆積した。
【0055】
金属材料としては、チタンの他に、ジルコニウム、ハフニウム等を用いることが可能である。また、成膜法としては、基板の段差に密着して均一に成膜できるCVD法を用いることが好ましいが、蒸着法、スパッタ法を用いてもほぼ同様の効果が得られる。また、金属薄膜18の膜厚は、0.5nm以上2nm以下であることが望ましい。0.5nm以上としたのはこれ以下の膜厚であると、基板上にピンホール等が発生する可能性があり金属薄膜が2次元的に不連続な構造となってしまう可能性があるためである。一方その膜厚を2nm以下としたのは、これ以上の厚さの金属薄膜では後の工程でボロン化合物を形成するときに金属リッチな組成となってしまい、金属リッチなボロン化合物は化学的に不安定であるためである。このとき金属ボロン化合物の膜厚は、1nm以上4nm以下となる。金属珪化物の膜厚も、1nm以上4nm以下となる。
【0056】
次に、図7に示すように、通常の方法によって、金属薄膜18上に、ノンドープの多結晶シリコン層19を堆積する。ここでは一例として、SiH4ガスを用いた化学気相堆積法によって、多結晶シリコン層19を厚さ200nm堆積した。
【0057】
次に、図8に示すように、pチャネルMOSトランジスタとなる領域1のノンドープの多結晶シリコン層19にアクセプタ不純物となるボロンを添加しp型不純物添加された多結晶シリコン層20を形成する。
【0058】
一方nチャネルMOSトランジスタとなる領域2のノンドープの多結晶シリコン層19にドナー不純物となるリン或いは砒素等を添加しn型不純物添加された多結晶シリコン21を形成する。
【0059】
不純物添加の方法としてはイオン注入法、気相拡散法等を用いることが可能である。このときボロン不純物添加は、金属薄膜18まで達しないようにノンドープの多結晶シリコン層19の表面近傍にのみ行う必要がある。そうでないと、この不純物添加の工程において金属薄膜18とボロンが反応をおこし、均一性が損なわれる恐れがあるためである。
【0060】
ここでは通常のプロセスで用いられるイオン注入法により、pチャネルMOSトランジスタが形成される領域1のノンドープの多結晶シリコン層19に対して、ドーズエネルギー30keV、ドーズ量5×1015/cm2の注入条件でBF2をイオン注入した。
【0061】
一方、nチャネルMOSトランジスタが形成される領域2のノンドープの多結晶シリコン19に対して、ドーズエネルギー50keV、ドーズ量3×1015/cm2の注入条件でAsをイオン注入した。
【0062】
次に、図9に示すように、第1の熱処理(700℃〜800℃)を施すことによって、pチャネルMOSトランジスタが形成される領域1及びnチャネルMOSトランジスタが形成される領域2の金属薄膜18の全てが多結晶シリコン20及び21の一部と反応し、均一かつ平坦な金属珪化物層11が形成される。
【0063】
ここでは一例として、750℃、30秒、Ar雰囲気の熱処理を行うことにより、厚さ1nmのチタン薄膜18と多結晶シリコン20及び21と反応して厚さ約2nmのチタン珪化物(TiSi2(C49))層11が形成された。
【0064】
次に、図10に示すように、第1の熱処理よりも高温の第2の熱処理(850℃〜1000℃)を施すことによって、pチャネルMOSトランジスタが形成される領域1の金属珪化物層11のみを、多結晶シリコン層20に添加されたボロンと反応させて、均一かつ平坦な金属ボロン化合物8を形成する。
【0065】
ここでは一例として、1000℃、20秒、窒素雰囲気での熱処理を行うことにより、チタン珪化物(TiSi2(C49))層11とボロンを反応させてチタンボロン化合物(TiB2)層8を形成した。
【0066】
このとき、nチャネルMOSトランジスタが形成される領域2のチタン珪化物(TiSi2(C49))層11はチタン珪化物(TiSi2(C54))層11へと相転移し、比抵抗が低減する。この際、チタン珪化物(TiSi2(C54))層11の平坦性は保持されている。
【0067】
さらに、この第2の熱処理工程によって、多結晶シリコン層20及び21に添加された不純物の電気的活性化も同時に行なわれ、p+多結晶シリコン層9及びn+多結晶シリコン層12が形成される。
【0068】
次に、図11に示すように、pチャネルMOSトランジスタの領域1では、ゲート絶縁膜7、金属ボロン化合物層8、p+多結晶シリコン電極9及びサリサイド10からなる積層構造(MIS構造)をゲート加工工程により形成する。一方nチャネルMOSトランジスタの領域2では、ゲート絶縁膜7、金属珪化物層11、n+多結晶シリコン電極12及びサリサイド10からなる積層構造(MIS構造)をゲート加工により同時に形成する。
【0069】
ここでは一例としてCF系の反応ガスを用いた反応性イオンエッチングによってp+多結晶シリコン電極9、n+多結晶シリコン電極12、チタンボロン化合物層8、チタン珪化物層11をエッチングし、別の既存のガス系によってゲート絶縁膜7をエッチングした。チタンボロン化合物及びチタン珪化物は、シリコンエッチングガスと同じガス系で十分加工することが可能である。チタンの他に、ジルコニウム或いはハフニウムを置き換えても同様である。
【0070】
次に、図4に示すように、上記積層部をマスクとして自己整合的にイオン注入により浅い不純物拡散層15及び16を形成する。次に、積層部の側壁にゲート側壁17を酸化シリコン等にて形成する。次に、ゲート側壁17をマスクとして自己整合的にイオン注入により深い不純物拡散層13及び14を形成する。最後に、深い不純物拡散層13及び14上にサリサイド10を形成することによって、完成する。
【0071】
上記したCMOSデバイスの製造方法で最も重要なのは、pチャネルMOSトランジスタ1及びnチャネルMOSトランジスタ2ともに、第1の熱処理によって金属珪化物層11を形成しておいて、第2の熱処理によって、pチャネルMOSトランジスタ1のみに、多結晶シリコン層20に添加されたボロンの一部と金属珪化物層11を反応させて金属ボロン化合物層7を形成する点である。
【0072】
こうすることで、従来のシリコンプロセスから熱処理を一回増やすだけの工程の追加によって、pチャネルMOSトランジスタ1及びnチャネルMOSトランジスタ2の双方にそれぞれ適した仕事関数を有する金属ボロン化合物及び金属珪化物を電極の一部として形成することが可能となる。さらに、熱処理においては、金属ボロン化合物層8及び金属珪化物層11の均一性、平坦性を向上させることもできる。
【0073】
すなわち第1の熱処理においては、金属薄膜とシリコンゲート電極を、化学的に安定な金属珪化物が平坦かつ均一に形成される条件の熱処理で反応させておく。この状態で、pチャネルMOSトランジスタ1及びpチャネルMOSトランジスタ2ともに均一かつ平坦な金属珪化物電極が形成される。
【0074】
そして第2の熱処理において、pチャネルMOSトランジスタ1の領域に形成された金属珪化物層11をボロン化合物層8へと変態させる。元々の金属珪化物層11が均一かつ平坦に形成されているおかげで、金属ボロン化合物層8も平坦かつ均一に形成することが可能となる。また、第2の熱処理では、pチャネルMOSトランジスタ及びnチャネルMOSトランジスタのシリコンゲートに添加された不純物の電気的活性化工程も兼ねている。
【0075】
次に、金属珪化物がボロンと反応して金属ボロン化合物に変態する例を、金属としてチタンを用いて説明する。この化学反応は熱力学的に許容された無理のない反応過程であることが理論的に予測される。
【0076】
一例として、1原子%のボロンが添加されたp+シリコン基板上にチタン珪化物(TiSi2)層を形成し、これを高温熱処理(850℃)した時の化学反応を考えてみる。
【0077】
ボロンが添加されたp+シリコンとチタン珪化物(TiSi2)からシリコン(Si)とチタンボロン化合物(TiB2)が形成される化学反応式は以下のようになる。
【0078】
2/3Si0.99B0.01+TiSi2→2/3Si+TiB2
注目するべき点は、この反応式の生成自由エネルギーΔG=−10192J(1000K)である。すなわちこの系では、ボロンさえ有ればチタン珪化物(TiSi2)からチタンボロン化合物(TiB2)への変態は自発的に進行する化学反応である。
【0079】
以上の理論的な予測を実際に確認する為に、ゲート絶縁膜としてジルコニウム酸化物を用い、その上にチタン薄膜を形成し、その上にボロンが添加されたシリコン層を堆積し、800℃程度の熱処理を行った後、1000℃程度の高温熱処理を行いチタンボロン化合物が形成されるかどうか実験を行った。
【0080】
図12に、形成された積層構造をSIMSにより分析した実験結果を示す。横軸は基板裏面からの深さ、縦軸はボロンの密度である。
【0081】
図12に示すように、ジルコニウム酸化膜から来るジルコニウムのピークに対し、チタンとボロンのピークは同じ形状でシリコンゲート電極側に偏って分布しており、ジルコニウム酸化膜上にチタンとボロンからなる化合物が形成されていることが現実に示された。
【0082】
このことは、シリコンゲート電極中のボロン濃度がジルコニウム酸化膜との界面付近でいったん低下している(図12中矢印Aで示す)ことからも明らかである。
【0083】
比較のために、図13に、チタン薄膜を挿入せずに、上記熱処理工程を行った場合の積層構造のSIMSにより分析した実験結果を示す。
【0084】
この場合には当然ながらジルコニウム酸化物上にボロンの化合物は形成されないので、シリコンゲート電極中のボロン濃度は平坦である。
【0085】
特筆すべきは、図12及び図13におけるシリコン基板側へのボロン付き抜け挙動の違いである。
【0086】
すなわち、図12におけるチタンボロン化合物(TiB2)を形成した場合には、このチタンボロン化合物(TiB2)がボロンの吸い取り口となり、シリコン基板側へボロンが拡散するのを有効に抑えこんでいる。
【0087】
一方図13の場合では、ボロンがシリコン基板側へ大量に拡散していることが分かる。
【0088】
このように本発明では、ボロンの突き抜けを防ぐ効果も奏することがわかる。
【0089】
また、金属ボロン化合物層は、金属:ボロン=1:1.5〜2の範囲で形成されることが好ましい。金属に対するボロンの比率が1.5以下だと、金属ボロン化合物の化学的安定性が低下し、本発明の効果が発揮できなくなるためである。
【0090】
また、金属ボロン化合物の自由エネルギーの絶対値が、金属珪化物の自由エネルギーの絶対値よりも大きい金属元素を用いることで本発明の効果が期待できる。
【0091】
また、シリコン電極にゲルマニウムを含有したSiGe電極を用いても良い。
【0092】
(実施形態2)
次に、金属珪化物層の別の形成方法について述べる。本実施形態では、ゲート絶縁膜の形成時にゲート絶縁膜中に金属元素を添加する。次に、シリコン膜を堆積し、熱処理によって、ゲート絶縁膜中に添加された金属とシリコン膜とを反応して金属珪化物層を形成するものである。
【0093】
図14にその概念図を示す。
【0094】
図14(a)に示すように、シリコン基板4上に、金属添加されたゲート絶縁膜100を形成する。ここでは、スパッタリングを用い、ジルコニウム酸化膜中にチタン金属を添加する例を示す。
【0095】
先ず、スパッタリングターゲットとしてジルコニウム酸化物ターゲットとチタン金属ターゲットを用い、スパッタガスとしてアルゴンガスのみ或いはアルゴンガスに極微量の酸素ガスを添加したガスを用いた。
【0096】
アルゴンガスに酸素ガスを添加する場合には、酸素ガスの流量は1sccm以下が望ましい。このような成膜手段によれば、成膜されるジルコニウム酸化物膜は化学量論的組成になり、添加されるチタン元素は酸素元素との結合が不足した状態をとる。
【0097】
次に、図14(b)に示すように、金属添加されたゲート絶縁膜100上に導電性膜101として、例えばシリコン膜を堆積し、750℃程度の熱処理を加える。こうすることにより金属添加されたゲート絶縁膜100中と導電性膜101との間に金属珪化物層11が形成される。
【0098】
これは金属添加されたゲート絶縁膜100中の酸素との結合が不十分な金属元素が還元され、導電性膜101中のシリコンと結合し、チタン珪化物層11を作るためである。
【0099】
このような製造方法をとることの利点は以下の2点である。
【0100】
第1に、実施形態1に示すようなゲート絶縁膜上に金属薄膜を形成する工程において、ゲート絶縁膜と金属薄膜の濡れ性が悪い組み合わせの場合には平坦な金属薄膜を形成するのが非常に困難となる。しかしながら本実施形態の方法では、この問題を容易に解決できる。
【0101】
第2に、本実施形態の方法によれば金属薄膜形成工程を減らすことができ、工程短縮できるメリットがある。
【0102】
本実施形態の方法において、ゲート絶縁膜に添加する金属元素は、これを珪化物とボロン化合物に作り分けるために、チタン、ジルコニウム、ハフニウムを用いることが好ましい。なかでも、提示の酸化状態を持ち容易に還元される特徴を有するチタンを添加することが最も望ましい。添加される側のゲート絶縁膜としては、実施形態1で例示した材料系がそのまま利用できる。
【0103】
また、ここでは金属添加ゲート絶縁膜の形成方法としてスパッタリングによる例を示したが、これに限らない。
【0104】
(実施形態3)
次に、金属珪化物層の別の形成方法について述べる。本実施形態では、ゲート絶縁膜を形成し、この表面を還元することによって還元された金属酸化物膜(例えば金属薄膜)を得る。次に、この上にシリコン膜を堆積し、熱処理によって、還元された金属酸化物膜とシリコン膜とを反応して金属珪化物層を形成するものである。
【0105】
図15にその概念図を示す。
【0106】
先ず、図15(a)に示すように、シリコン基板4上に金属酸化物からなるゲート絶縁膜102を形成する。金属としてはチタン、ジルコニウム、ハフニウムを用いることができる。次にこの金属酸化物からなるゲート絶縁膜102の表面の一部を還元して還元された金属酸化物膜、ここでは金属薄膜103を形成する。
【0107】
還元の方法としては水素などの還元雰囲気での熱処理などを用いることができる。通常の水素分子雰囲気などでは金属酸化物からなるゲート絶縁膜102の一部のみを還元するのは技術的に困難だが、たとえば水素ラジカル、不活性ガスプラズマによる被爆などにより金属酸化物からなるゲート絶縁膜102の最表面近傍のみを部分還元することが技術的に可能である。
【0108】
また、この際には、還元作用によって金属酸化物が完全に金属まで還元されずとも、不安定な酸化状態である低次の金属酸化物状態であってもよい。
【0109】
また、この部分還元の方法では金属酸化物では無く金属シリケートを用いることも可能である。
【0110】
次に、図15(b)に示すように、金属薄膜103上に導電性薄膜104として、例えばシリコン膜を形成する。
【0111】
次に、図15(c)に示すように、この基板を熱処理することで導電性薄膜104中のシリコンと金属薄膜103中の金属とを反応させて金属珪化物層105を形成することができる。
【0112】
このような製造方法をとることの利点は、ゲート絶縁膜上に平坦な金属薄膜を形成することが困難な系でも、平坦な金属珪化物及び金属ボロン化合物を形成できる点にある。
【0113】
【発明の効果】
ゲート電極の低抵抗化、空乏化による絶縁膜容量低下、不純物突き抜け問題のないゲート電極を有する半導体装置を提供できる。
【0114】
また、シリコンプロセスを用いた簡単な方法により上記半導体装置を製造する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明にかかるpチャネルMOSトランジスタの断面図。
【図2】 本発明にかかるCMOSデバイスのうちnチャネルMOSトランジスタの断面図。
【図3】 チタン珪化物、チタンボロン化合物、n+シリコン及びp+シリコンのバンド図。
【図4】 本発明にかかるCMOSデバイスの断面図。
【図5】 本発明にかかるCMOSの製造工程の一例を示す断面図。
【図6】 本発明にかかるCMOSの製造工程の一例を示す断面図。
【図7】 本発明にかかるCMOSの製造工程の一例を示す断面図。
【図8】 本発明にかかるCMOSの製造工程の一例を示す断面図。
【図9】 本発明にかかるCMOSの製造工程の一例を示す断面図。
【図10】 本発明にかかるCMOSの製造工程の一例を示す断面図。
【図11】 本発明にかかるCMOSの製造工程の一例を示す断面図。
【図12】 本発明にかかる金属ボロン化合物形成の実現性を示すSIMS実験結果。
【図13】 金属ボロン化合物を形成しない場合のSIMS実験結果。
【図14】 (a)(b)は、金属珪化物層を形成する別の方法における主要工程の断面図。
【図15】 (a)(b)(c)は、金属珪化物層を形成する別の方法における主要工程の断面図。
【符号の説明】
1・・・pチャネルMOSトランジスタ
2・・・nチャネルMOSトランジスタ
3・・・Nシリコンウェル
4・・・シリコン基板
5・・・Pシリコンウェル
6・・・シャロートレンチ構造の素子分離
7・・・ゲート絶縁膜
8・・・金属ボロン化合物層
9・・・p+多結晶シリコン
10・・・サリサイド
11・・・金属珪化物層
12・・・n+多結晶シリコン
13・・・深いp+不純物拡散層
14・・・深いn+不純物拡散層
15・・・浅いp+不純物拡散層
16・・・浅いn+不純物拡散層
17・・・ゲート側壁
18・・・金属薄膜
19・・・ノンドープの多結晶シリコン層
20・・・p型不純物添加されたシリコン層
21・・・n型不純物添加されたシリコン層
100・・・金属添加されたゲート絶縁膜
101・・・導電性膜
102・・・ゲート絶縁膜
103・・・還元されたゲート絶縁膜
104・・・導電性膜
105・・・金属珪化物層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
When manufacturing a CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) device with a gate length of submicron (0.1 μm), silicon used in previous generations may not be used as it is as a gate electrode. High nature.
[0003]
The first reason is that, since silicon has a high specific resistance of several tens of Ω / □, RC delay cannot be ignored in device operation when used as a gate electrode. In devices with a gate length of the submicron generation, it is considered that the RC delay cannot be ignored unless the specific resistance of the gate electrode is 2 Ω / □ or less.
[0004]
As a second reason, there is a problem that the silicon gate electrode is depleted. This is because the solubility limit of dopant impurities added to silicon is at most 1 × 10.20cm-3This is a phenomenon in which a depletion layer having a finite length spreads on the silicon gate electrode side at the interface between the silicon gate electrode and the gate insulating film.
[0005]
Since this depletion layer is substantially a capacitance connected in series with the gate insulating film, this capacitance is added to the gate insulating film. The added capacity is 0.3 nm in terms of silicon oxide equivalent film thickness. The gate insulating film of a future device is required to have a silicon oxide equivalent film thickness of 1.5 nm or less, and the added silicon oxide equivalent film thickness of 0.3 nm is a thickness that cannot be ignored.
[0006]
On the other hand, attempts have been made to lower the resistance by adding high-concentration impurities (such as phosphorus or boron) to the silicon gate electrode. However, in the submicron generation, the thickness of the gate insulating film is required to be 1.5 nm or less in terms of silicon oxide, and this high-concentration impurity passes through the thinned gate insulating film and reaches the silicon substrate. The problem that will be revealed. This causes a problem that the impurity concentration in the channel region is deviated from the design and the threshold voltage fluctuates.
[0007]
Therefore, it is considered to use a refractory metal such as molybdenum, tungsten, or tantalum or a nitride thereof for the gate electrode. This is so-called metal gate technology.
[0008]
Since the metal gate has a lower specific resistance than silicon in principle, the RC delay can be ignored. In addition, since a metal gate does not generate a depletion layer in principle, no additional capacitance is generated. Furthermore, the metal gate is expected to solve the problem of the silicon gate such that there is no problem that the impurity penetrates the gate insulating film because it is not necessary to add an impurity for reducing the resistance.
[0009]
However, the metal gate has the following specific problems when producing a CMOS device.
[0010]
The metal gate is p when forming a CMOS device.+Metal material with silicon work function and n+A so-called dual φ (phi) metal gate technique has been proposed in which a metal material having a silicon work function is used as a gate electrode of a p-channel MOS transistor and an n-channel MOS transistor, respectively.
[0011]
By doing so, the threshold voltages of the p-channel MOS transistor and the n-channel MOS transistor can be completely controlled. However, the dual φ metal gate is p+Metal material with silicon work function and n+It is predicted that it will be quite difficult to find the optimal combination of materials due to limitations such as finding each metal material having a work function of silicon and further having to have heat resistance.
[0012]
Even if two types of metal materials with good heat resistance and proper work function are found, the LSI manufacturing process requires separate gate electrodes for p-channel MOS transistors and n-channel MOS transistors. There is a problem that it is necessary to form the process, and the manufacturing process becomes complicated.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, since the conventional silicon gate electrode has a high specific resistance, the RC delay cannot be ignored, the capacity is reduced due to depletion of the silicon gate electrode, and further, impurities are insulated from the silicon gate electrode. There is a problem that the threshold voltage fluctuates through the film.
[0014]
Further, in the method of using two kinds of metal gates (dual φ metal gate technology) for the n-channel MOS and p-channel MOS as the gate electrode, a combination of metal materials used for the gate electrodes of the p-channel MOS transistor and the n-channel MOS transistor is used. In addition to being predicted to be extremely difficult to find, there is a problem that the manufacturing process becomes complicated.
[0015]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a gate electrode that does not have a problem of lowering the resistance of the gate electrode, lowering the insulating film capacity due to depletion, and causing impurities to penetrate.
[0016]
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the semiconductor device by a simple method using a silicon process.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides:Forming a gate insulating film on the silicon substrate;
Forming a metal thin film made of at least one metal selected from titanium, zirconium and hafnium on the gate insulating film;
Forming at least a silicon or silicon-germanium thin film on the metal thin film;
Adding boron to at least a portion of the thin film;
Forming a metal silicide layer to be a gate electrode of an n-channel MOS transistor by reacting all of the metal thin film and a part of the thin film;
A step of reacting a part of the metal silicide layer with boron to form a metal boron compound layer that becomes a gate electrode of a p-channel MOS transistor, and the absolute value of the free energy of the metal boron compound is the metal silicide. Method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that the absolute value of the free energy of the semiconductor device is largerI will provide a.
[0021]
The metal boron compound layer contains at least one metal selected from titanium, zirconium, and hafnium, and the gate insulating film includes zirconium, hafnium, titanium, tantalum, aluminum, yttrium, lanthanum, cerium, and other rare earths. An oxide film of at least one metal selected from any one of the elements is preferable.
[0022]
In the present invention, the atomic composition ratio of the metal boron compound layer is preferably metal: boron = 1: 1.5-2.
[0024]
The present invention also includes a step of forming a gate insulating film on a silicon substrate;
On the gate insulating filmMade of at least one metal selected from titanium, zirconium, and hafniumForming a metal thin film;
At least silicon on the metal thin filmOr silicon germaniumForming a thin film;
Adding boron to the first region of the thin film;
Adding an n-type dopant to the second region of the thin film;
All of the metal thin film reacts with a part of the thin film.Said 1 The region and the first 2 Becomes the gate electrode of the n-channel MOS transistor in the regionForming a metal silicide layer;
Reacting part of the metal silicide layer in the first region with boron;Becomes the gate electrode of p-channel MOS transistorForming a metal boron compound layerAnd the absolute value of the free energy of the metal boron compound is larger than the absolute value of the free energy of the metal silicide.A method for manufacturing a semiconductor device is provided.
[0025]
The present invention also provides a silicon substrate.At least one selected from titanium, zirconium and hafniumForming a gate insulating film doped with metal;
At least silicon on the gate insulating filmOr silicon germaniumForming a thin film;
Adding boron to the first region of the thin film;
Adding an n-type dopant to the second region of the thin film;
The metal added to the surface of the gate insulating film reacts with a part of the thin film.Said 1 The region and the first 2 Becomes the gate electrode of the n-channel MOS transistor in the regionForming a metal silicide layer;
Reacting part of the metal silicide layer in the first region with boron;Becomes the gate electrode of p-channel MOS transistorForming a metal boron compound layerAnd the absolute value of the free energy of the metal boron compound is larger than the absolute value of the free energy of the metal silicide.A method for manufacturing a semiconductor device is provided.
[0026]
The present invention also provides a silicon substrate.It is an oxide of at least one metal selected from titanium, zirconium and hafniumForming a gate insulating film made of a metal oxide;
Reducing the surface of the gate insulating film;
At least silicon on the gate insulating filmOr silicon germaniumForming a thin film;
Adding boron to the first region of the thin film;
Adding an n-type dopant to the second region of the thin film;
The reduced metal present on the surface of the gate insulating film is allowed to react with a part of the thin film.Said 1 The region and the first 2 Becomes the gate electrode of the n-channel MOS transistor in the regionForming a metal silicide layer;
Reacting part of the metal silicide layer in the first region with boron;Becomes the gate electrode of p-channel MOS transistorForming a metal boron compound layerAnd the absolute value of the free energy of the metal boron compound is larger than the absolute value of the free energy of the metal silicide.A method for manufacturing a semiconductor device is provided.
[0028]
Moreover, Ti (titanium) is preferable as the metal of the metal boron compound layer or the metal siliceous layer, but Zr (zirconium), Hf (hafnium) and the like, which are the same elements as Ti, have similar chemical properties. There is also a possibility that it can be used.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented with various ideas.
[0030]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the present invention.
[0031]
As shown in FIG. 1, this semiconductor device is formed on an n-
[0032]
Although not shown in FIG. 1, the n-
[0033]
This semiconductor device is characterized in that a metal
[0034]
As an example, the case where titanium is used as the metal material of the metal boron compound will be described. The specific resistance of the titanium boron compound is about 10 μΩcm, which is a value comparable to that of the metal gate material. In addition to titanium, examples of the metal material include zirconium and hafnium. In any metal material, the resistance value of the metal boron compound is sufficiently low and the depletion layer does not spread.
[0035]
Furthermore, the present invention is preferably a semiconductor device in which the p-channel MOS transistor shown in FIG. 1 and the n-channel MOS transistor shown in FIG. 2 are arranged on the same substrate.
[0036]
The n-channel MOS transistor shown in FIG. 2 includes a p-
[0037]
Although not shown in FIG. 2, the p-
[0038]
In the present invention, the p-channel MOS transistor includes a metal
[0039]
Thus, in the present invention, the metal
[0040]
FIG. 3 shows a case where titanium is used as an example of the metal material of the metal
[0041]
The work function of the titanium boron compound used for the p-channel MOS transistor is 4.8 to 5.2 eV, and the work function of the titanium silicide used for the n-channel MOS transistor is 4.4 eV.+Work function of polycrystalline silicon 5.2 eV, n+It can be seen that the value is very close to the work function of polycrystalline silicon of 4.1 eV. Therefore, the threshold values of the p-channel MOS transistor and the n-channel MOS transistor can be well controlled.
[0042]
Moreover, the specific resistance of titanium silicide is 20 μΩcm or less, which is a value comparable to that of a metal gate material.
[0043]
Next, FIG. 4 shows a cross-sectional view of a CMOS device in which the p-channel MOS transistor shown in FIG. 1 and the n-channel MOS transistor shown in FIG. 2 are formed on the same substrate.
[0044]
As shown in FIG. 4, a p-
[0045]
N silicon well 3 is formed on
[0046]
The p-
[0047]
At a position sandwiching the
[0048]
On the other hand, a P silicon well 5 is formed on the
[0049]
The n-
[0050]
Deep n doped with impurities at a high concentration at a position sandwiching the
[0051]
Next, a manufacturing method of the CMOS device shown in FIG. 5 will be described with reference to FIGS.
[0052]
First, as shown in FIG. 5, an
[0053]
As the
[0054]
Next, as shown in FIG. 6, a metal
[0055]
In addition to titanium, zirconium, hafnium, or the like can be used as the metal material. In addition, as a film forming method, it is preferable to use a CVD method capable of forming a film evenly in close contact with a step of the substrate. However, substantially the same effect can be obtained by using a vapor deposition method or a sputtering method. The film thickness of the metal
[0056]
Next, as shown in FIG. 7, a non-doped
[0057]
Next, as shown in FIG. 8, boron serving as an acceptor impurity is added to the non-doped
[0058]
On the other hand, phosphorus or arsenic as a donor impurity is added to the non-doped
[0059]
As an impurity addition method, an ion implantation method, a vapor phase diffusion method, or the like can be used. At this time, it is necessary to add boron impurity only to the vicinity of the surface of the non-doped
[0060]
Here, a dose energy of 30 keV and a dose amount of 5 × 10 are applied to the non-doped
[0061]
On the other hand, with respect to the non-doped
[0062]
Next, as shown in FIG. 9, by performing a first heat treatment (700 ° C. to 800 ° C.), the metal thin film in the
[0063]
Here, as an example, by performing heat treatment in an Ar atmosphere at 750 ° C. for 30 seconds, the titanium
[0064]
Next, as shown in FIG. 10, by performing a second heat treatment (850 ° C. to 1000 ° C.) higher in temperature than the first heat treatment, the
[0065]
Here, as an example, by performing heat treatment in a nitrogen atmosphere at 1000 ° C. for 20 seconds, titanium silicide (TiSi2(C49)) The
[0066]
At this time, the titanium silicide (TiSi) in the
[0067]
Further, the second heat treatment process simultaneously activates the impurities added to the polycrystalline silicon layers 20 and 21, and p.+Polycrystalline silicon layers 9 and n+A
[0068]
Next, as shown in FIG. 11, in the
[0069]
Here, as an example, p is formed by reactive ion etching using a CF-based reaction gas.+
[0070]
Next, as shown in FIG. 4, shallow impurity diffusion layers 15 and 16 are formed by ion implantation in a self-aligned manner using the stacked portion as a mask. Next, the
[0071]
The most important manufacturing method of the CMOS device described above is that both the p-
[0072]
In this way, a metal boron compound and a metal silicide each having a work function suitable for both the p-
[0073]
That is, in the first heat treatment, the metal thin film and the silicon gate electrode are reacted with each other by a heat treatment under a condition that a chemically stable metal silicide is formed flat and uniformly. In this state, a uniform and flat metal silicide electrode is formed in both the p-
[0074]
In the second heat treatment, the
[0075]
Next, an example in which a metal silicide reacts with boron and transforms into a metal boron compound will be described using titanium as a metal. It is theoretically predicted that this chemical reaction is a reasonable reaction process that is allowed thermodynamically.
[0076]
As an example, p with 1 atomic% boron added+Titanium silicide (TiSi) on a silicon substrate2) Consider a chemical reaction when a layer is formed and subjected to high temperature heat treatment (850 ° C.).
[0077]
P with boron added+Silicon and titanium silicide (TiSi2) To silicon (Si) and titanium boron compound (TiB)2) Is formed as follows.
[0078]
2 / 3Si0.99B0.01+ TiSi2→ 2 / 3Si + TiB2
The point to be noted is the generation free energy ΔG = −10192J (1000 K) of this reaction formula. That is, in this system, if there is boron, titanium silicide (TiSi2) To titanium boron compound (TiB)2) Is a chemical reaction that proceeds spontaneously.
[0079]
In order to actually confirm the above theoretical prediction, zirconium oxide is used as a gate insulating film.TheA titanium thin film is formed thereon, a silicon layer doped with boron is deposited thereon, heat-treated at about 800 ° C., and then heat-treated at about 1000 ° C. to form a titanium boron compound. Whether or not an experiment was conducted.
[0080]
FIG. 12 shows the experimental results of analyzing the formed laminated structure by SIMS. The horizontal axis is the depth from the back surface of the substrate, and the vertical axis is the density of boron.
[0081]
As shown in FIG. 12, with respect to the zirconium peak coming from the zirconium oxide film, the peaks of titanium and boron are distributed in the same shape and biased toward the silicon gate electrode side, and the compound consisting of titanium and boron on the zirconium oxide film It was actually shown that
[0082]
This is also clear from the fact that the boron concentration in the silicon gate electrode once decreases near the interface with the zirconium oxide film (indicated by arrow A in FIG. 12).
[0083]
For comparison, FIG. 13 shows an experimental result analyzed by SIMS of a laminated structure when the above heat treatment step is performed without inserting a titanium thin film.
[0084]
In this case, as a matter of course, since a boron compound is not formed on the zirconium oxide, the boron concentration in the silicon gate electrode is flat.
[0085]
What should be noted is the difference in the removal behavior with boron toward the silicon substrate in FIGS.
[0086]
That is, the titanium boron compound (TiB in FIG.2) Is formed, this titanium boron compound (TiB2) Serves as a suction port for boron and effectively suppresses the diffusion of boron to the silicon substrate side.
[0087]
On the other hand, in the case of FIG. 13, it can be seen that a large amount of boron is diffused toward the silicon substrate.
[0088]
Thus, it can be seen that the present invention also has an effect of preventing boron penetration.
[0089]
The metal boron compound layer is preferably formed in the range of metal: boron = 1: 1.5-2. This is because when the ratio of boron to metal is 1.5 or less, the chemical stability of the metal boron compound is lowered and the effects of the present invention cannot be exhibited.
[0090]
The effect of the present invention can be expected by using a metal element in which the absolute value of the free energy of the metal boron compound is larger than the absolute value of the free energy of the metal silicide.
[0091]
Further, a SiGe electrode containing germanium may be used for the silicon electrode.
[0092]
(Embodiment 2)
Next, another method for forming the metal silicide layer will be described. In this embodiment, a metal element is added to the gate insulating film when the gate insulating film is formed. Next, a silicon film is deposited, and a metal silicide layer is formed by reacting the metal added to the gate insulating film with the silicon film by heat treatment.
[0093]
FIG. 14 shows a conceptual diagram thereof.
[0094]
As shown in FIG. 14A, a metal-added
[0095]
First, a zirconium oxide target and a titanium metal target were used as sputtering targets, and argon gas alone or a gas obtained by adding an extremely small amount of oxygen gas to argon gas was used as the sputtering gas.
[0096]
When adding oxygen gas to argon gas, the flow rate of oxygen gas is desirably 1 sccm or less. According to such a film formation means, the zirconium oxide film to be formed has a stoichiometric composition, and the added titanium element is in a state where the bond with the oxygen element is insufficient.
[0097]
Next, as shown in FIG. 14B, a silicon film, for example, is deposited as the
[0098]
This is because a metal element that is insufficiently bonded to oxygen in the
[0099]
The advantage of taking such a manufacturing method is the following two points.
[0100]
First, in the step of forming a metal thin film on the gate insulating film as shown in the first embodiment, a flat metal thin film is extremely formed when the gate insulating film and the metal thin film have poor wettability. It becomes difficult. However, this method can easily solve this problem.
[0101]
Secondly, according to the method of the present embodiment, the metal thin film forming process can be reduced, and there is an advantage that the process can be shortened.
[0102]
In the method of this embodiment, it is preferable to use titanium, zirconium, or hafnium as the metal element added to the gate insulating film in order to make it into a silicide and a boron compound. Of these, it is most desirable to add titanium that has the proposed oxidation state and is easily reduced. As the gate insulating film to be added, the material system exemplified in
[0103]
In addition, although an example by sputtering is shown here as a method for forming the metal-added gate insulating film, the method is not limited thereto.
[0104]
(Embodiment 3)
Next, another method for forming the metal silicide layer will be described. In this embodiment, a reduced metal oxide film (for example, a metal thin film) is obtained by forming a gate insulating film and reducing the surface thereof. Next, a silicon film is deposited thereon, and a metal silicide layer is formed by reacting the reduced metal oxide film with the silicon film by heat treatment.
[0105]
FIG. 15 shows a conceptual diagram thereof.
[0106]
First, as shown in FIG. 15A, a
[0107]
As a reduction method, heat treatment in a reducing atmosphere such as hydrogen can be used. Although it is technically difficult to reduce only part of the
[0108]
In this case, even if the metal oxide is not completely reduced to the metal by the reducing action, it may be in a low-order metal oxide state that is an unstable oxidation state.
[0109]
In this partial reduction method, metal silicate can be used instead of metal oxide.
[0110]
Next, as shown in FIG. 15B, for example, a silicon film is formed on the metal
[0111]
Next, as shown in FIG. 15C, the
[0112]
The advantage of adopting such a manufacturing method is that a flat metal silicide and a metal boron compound can be formed even in a system in which it is difficult to form a flat metal thin film on the gate insulating film.
[0113]
【The invention's effect】
It is possible to provide a semiconductor device having a gate electrode which does not have a problem of lowering the resistance of the gate electrode, lowering the insulating film capacity due to depletion, and causing impurities to penetrate.
[0114]
In addition, a method for manufacturing the semiconductor device can be provided by a simple method using a silicon process.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a p-channel MOS transistor according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of an n-channel MOS transistor in a CMOS device according to the present invention.
FIG. 3 Titanium silicide, titanium boron compound, n+Silicon and p+Silicon band diagram.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a CMOS device according to the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a manufacturing process of a CMOS according to the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of a manufacturing process of a CMOS according to the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an example of a manufacturing process of a CMOS according to the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing an example of a manufacturing process of a CMOS according to the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of a manufacturing process of a CMOS according to the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example of a manufacturing process of a CMOS according to the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing an example of a manufacturing process of a CMOS according to the present invention.
FIG. 12 shows SIMS experimental results showing the feasibility of forming a metal boron compound according to the present invention.
FIG. 13 shows SIMS experimental results when no metal boron compound is formed.
14A and 14B are cross-sectional views of main processes in another method for forming a metal silicide layer.
FIGS. 15A, 15B, and 15C are cross-sectional views of main processes in another method for forming a metal silicide layer. FIGS.
[Explanation of symbols]
1 ... p-channel MOS transistor
2 ... n-channel MOS transistor
3 ... N silicon well
4 ... Silicon substrate
5 ... P silicon well
6 ... Isolation of shallow trench structure
7 ... Gate insulation film
8 ... Metal boron compound layer
9 ... p+Polycrystalline silicon
10 ... Salicide
11 ... Metal silicide layer
12 ... n+Polycrystalline silicon
13 ... deep p+Impurity diffusion layer
14 ... deep n+Impurity diffusion layer
15 ... shallow p+Impurity diffusion layer
16 ... shallow n+Impurity diffusion layer
17 ... Gate side wall
18 ... Metal thin film
19: Non-doped polycrystalline silicon layer
20 ... p-type impurity doped silicon layer
21... Silicon layer doped with n-type impurity
100 ... Metal-added gate insulating film
101... Conductive film
102 ... Gate insulating film
103 ... Reduced gate insulating film
104 ... Conductive film
105 ... Metal silicide layer
Claims (4)
前記ゲート絶縁膜上にチタン、ジルコニウム、ハフニウムから選ばれる少なくとも一つの金属からなる金属薄膜を形成する工程と、
前記金属薄膜上に少なくともシリコンまたはシリコン・ゲルマニウム薄膜を形成する工程と、
前記薄膜中の少なくとも一部にボロンを添加する工程と、
前記金属薄膜の全てと、前記薄膜の一部を反応させnチャネルMOSトランジスタのゲート電極となる金属珪化物層を形成する工程と、
前記金属珪化物層の一部をボロンと反応させpチャネルMOSトランジスタのゲート電極となる金属ボロン化合物層を形成する工程とを具備し、前記金属ボロン化合物の自由エネルギーの絶対値が前記金属珪化物の自由エネルギーの絶対値よりも大きいことを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a gate insulating film on the silicon substrate;
Forming a metal thin film made of at least one metal selected from titanium, zirconium and hafnium on the gate insulating film;
Forming at least a silicon or silicon-germanium thin film on the metal thin film;
Adding boron to at least a portion of the thin film;
Forming a metal silicide layer to be a gate electrode of an n-channel MOS transistor by reacting all of the metal thin film and a part of the thin film;
A step of reacting a part of the metal silicide layer with boron to form a metal boron compound layer that becomes a gate electrode of a p-channel MOS transistor, and the absolute value of the free energy of the metal boron compound is the metal silicide. A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the absolute value of the free energy of the semiconductor device is larger.
前記ゲート絶縁膜上にチタン、ジルコニウム、ハフニウムから選ばれる少なくとも一つの金属からなる金属薄膜を形成する工程と、
前記金属薄膜上に少なくともシリコンまたはシリコン・ゲルマニウム薄膜を形成する工程と、
前記薄膜の第1の領域にボロンを添加する工程と、
前記薄膜の第2の領域にn型ドーパントを添加する工程と、
前記金属薄膜の全てと、前記薄膜の一部を反応させ前記第1の領域および前記第2の領域においてnチャネルMOSトランジスタのゲート電極となる金属珪化物層を形成する工程と、
前記第1の領域における前記金属珪化物層の一部をボロンと反応させpチャネルMOSトランジスタのゲート電極となる金属ボロン化合物層を形成する工程とを具備し、前記金属ボロン化合物の自由エネルギーの絶対値が前記金属珪化物の自由エネルギーの絶対値よりも大きいことを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a gate insulating film on the silicon substrate;
Forming a metal thin film made of at least one metal selected from titanium, zirconium and hafnium on the gate insulating film;
Forming at least a silicon or silicon-germanium thin film on the metal thin film;
Adding boron to the first region of the thin film;
Adding an n-type dopant to the second region of the thin film;
Reacting all of the metal thin film with a part of the thin film to form a metal silicide layer that becomes a gate electrode of an n-channel MOS transistor in the first region and the second region;
A step of reacting a part of the metal silicide layer in the first region with boron to form a metal boron compound layer that becomes a gate electrode of a p-channel MOS transistor, and the absolute energy of the free energy of the metal boron compound A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the value is larger than the absolute value of the free energy of the metal silicide.
前記ゲート絶縁膜上に少なくともシリコンまたはシリコン・ゲルマニウム薄膜を形成する工程と、
前記薄膜の第1の領域にボロンを添加する工程と、
前記薄膜の第2の領域にn型ドーパントを添加する工程と、
前記ゲート絶縁膜の表面に添加された金属と、前記薄膜の一部を反応させ前記第1の領域および前記第2の領域においてnチャネルMOSトランジスタのゲート電極となる金属珪化物層を形成する工程と、
前記第1の領域における前記金属珪化物層の一部をボロンと反応させpチャネルMOSトランジスタのゲート電極となる金属ボロン化合物層を形成する工程とを具備し、前記金属ボロン化合物の自由エネルギーの絶対値が前記金属珪化物の自由エネルギーの絶対値よりも大きいことを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a gate insulating film to which at least one metal selected from titanium, zirconium, and hafnium is added on a silicon substrate;
Forming at least a silicon or silicon-germanium thin film on the gate insulating film;
Adding boron to the first region of the thin film;
Adding an n-type dopant to the second region of the thin film;
A step of reacting a metal added to the surface of the gate insulating film with a part of the thin film to form a metal silicide layer that becomes a gate electrode of an n-channel MOS transistor in the first region and the second region. When,
A step of reacting a part of the metal silicide layer in the first region with boron to form a metal boron compound layer that becomes a gate electrode of a p-channel MOS transistor, and the absolute energy of the free energy of the metal boron compound A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the value is larger than the absolute value of the free energy of the metal silicide.
前記ゲート絶縁膜の表面を還元する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に少なくともシリコンまたはシリコン・ゲルマニウム薄膜を形成する工程と、
前記薄膜の第1の領域にボロンを添加する工程と、
前記薄膜の第2の領域にn型ドーパントを添加する工程と、
前記ゲート絶縁膜の表面に存在する還元された金属と、前記薄膜の一部を反応させ前記第1の領域および前記第2の領域においてnチャネルMOSトランジスタのゲート電極となる金属珪化物層を形成する工程と、
前記第1の領域における前記金属珪化物層の一部をボロンと反応させpチャネルMOSトランジスタのゲート電極となる金属ボロン化合物層を形成する工程とを具備し、前記金属ボロン化合物の自由エネルギーの絶対値が前記金属珪化物の自由エネルギーの絶対値よりも大きいことを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a gate insulating film made of a metal oxide that is an oxide of at least one metal selected from titanium, zirconium, and hafnium on a silicon substrate;
Reducing the surface of the gate insulating film;
Forming at least a silicon or silicon-germanium thin film on the gate insulating film;
Adding boron to the first region of the thin film;
Adding an n-type dopant to the second region of the thin film;
The reduced metal present on the surface of the gate insulating film is reacted with a part of the thin film to form a metal silicide layer that becomes a gate electrode of an n-channel MOS transistor in the first region and the second region. And a process of
A step of reacting a part of the metal silicide layer in the first region with boron to form a metal boron compound layer that becomes a gate electrode of a p-channel MOS transistor, and the absolute energy of the free energy of the metal boron compound A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the value is larger than the absolute value of the free energy of the metal silicide.
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